ia lect 2 cautare - cursuri automatica si...

InteligentaInteligenta ArtificialaArtificiala

Universitatea Politehnica BucurestiAnul universitar 2010-2011

Adina Magda Floreahttp://turing.cs.pub.ro/ia_10 si

curs.cs.pub.ro

Curs nr. 2

Strategii de rezolvare a problemelor

� Reprezentarea solutiei problemei

� Strategii de cautare de baza: nivel,

adancime, nivel iterativ (ID), bidirectionala

� Strategii de cautare informate: best first,

cost uniform, A*, cautare euristica cu

memorie limitata

1. Reprezentarea solutiei problemei

� Reprezentare prin spatiul starilor

� Reprezentare prin grafuri SI/SAU

� Echivalenta reprezentarilor

� Caracteristicile mediului de rezolvare

� Pentru a reprezenta si gasi o solutie:

� Structura simbolica

� Instrumente computationale

� Metoda de planificare

1.1. Rezolvarea problemei reprezentata

prin spatiul starilor

� Stare

� Spatiu de stari

� Stare initiala

� Stare/stari finala/finale

� (Si, O, Sf)

� Solutia problemei

� Caracteristicile mediului

2 3

1

7 6

8 4

5

Si

2 31

7 6

8 4

5

Sf

(a) Stare initiala (b) Stare finala

SUS - Mutare patrat liber in sus

STINGA - Mutare patrat liber la stinga

JOS - Mutare patrat liber in jos

DREAPTA - Mutare patrat liber la dreapta

(c) Operatori

2 3

1

7 6

8 4

5

Si

2 3

1

7 6

8 4

5

2 3

1

7 6

8

4

5

2 3

1

7 6

8 4

5

STINGA JOS DREAPTA

(d) Tranzitii posibile din starea Si

S1

S2

S3

8-puzzle

1.2 Rezolvarea problemei reprezentata prin

grafuri SI/SAU

� (Pi, O, Pe)

� Semnificatie graf SI/SAU

� Nod rezolvat

� Nod nerezolvabil

� Solutia problemei

Nod SAU

Noduri SI

Noduri SAU

Graf SI/SAU

A B C A B C

(a) Stare initiala (b) Stare finala

n = 3

A la C

n = 2 n = 2

n = 1

A la B

A la C

B la C

n = 1

A la C

n = 1

A la B

n = 1

C la B

n = 1

B la A

n = 1

B la C

n = 1

A la C

(c) Arborele SI/SAU de descompunere in subprobleme

O - operator de descompunere

Turnurile din Hanoi

1.3 Echivalenta reprezentarilor

(a) Spatiul starilor

S k

S j

Tranzitie din in S j

S f

S , - stari intermediarejS k

S - stare finala f

(b) Descompunerea problemei in subprobleme

Tranzitie din in S j

S k

Tranzitie din in S k

S f

1.4 Caracteristicile mediului

� Observabil / neobservabil

� Discret / continuu

� Finit / infinit

� Determinist / nedeterminist

2. Strategii de cautare de baza

Criterii de caracterizare

� Completitudine

� Optimalitate

� Complexitate

� Capacitatea de revenire

� Informare

� Conventii: nod necunoscut, evaluat, expandat, FRONTIERA, TERITORIU

Grad deinformare

CostComputational

Cost total

Cost control(cost evaluare stari)Cost parcurgere

(cost aplicareoperatori)

Neinformat Informat

Costuri ale cautarii

2.1. Cautari neinformate in spatiul starilor

Algoritm NIV: Strategia cautarii pe nivel in spatiul starilor

1. Initializeaza listele FRONTIERA ← {Si}, TERITORIU ← {}

2. daca FRONTIERA = {}

atunci intoarce INSUCCES

3. Elimina primul nod S din FRONTIERA si insereaza-l in TERITORIU

4. Expandeaza nodul S

4.1. Genereaza toti succesorii directi Sj ai nodului S

4.2. pentru fiecare succesor Sj al lui S executa

4.2.1. Stabileste legatura Sj → S

4.2.2. daca Sj este stare finala

atunci

i. Solutia este (Sj, S, .., Si)

ii. intoarce SUCCES

4.2.3. Insereaza Sj in FRONTIERA, la sfarsit

5. repeta de la 2

sfarsit.

� Caracteristici cautare pe nivel

� Algoritmul presupune spatiul de cautare arbore si nu graf

� Pentru un spatiu de cautare graf se insereaza pasul 3’

3’. daca S ∈FRONTIERA ∪ TERITORIU atunci repeta de la 2

Strategia cautarii in adancime in spatiul starilor

� Intr-o reprezentare a solutiei problemei prin spatiul starilor

adancimea unui nod se defineste astfel:

� Ad(Si) = 0, unde Si este nodul stare initiala,

� Ad(S) = Ad(Sp)+1, unde Sp este nodul predecesor nodului

S.

Algoritm ADANC(AdMax): Strategia cautarii in adancime in spatiul starilor

1. Initializeaza listele FRONTIERA ← {Si}, TERITORIU ← {}

2. daca FRONTIERA = {}

atunci intoarce INSUCCES

3. Elimina primul nod S din FRONTIERA si insereaza-l in TERITORIU

3’. daca Ad(S) = AdMax atunci repeta de al 2

4. Expandeaza nodul S

4.1. Genereaza toti succesorii directi Sj ai nodului S

4.2. pentru fiecare succesor Sj al lui S executa

4.2.1. Stabileste legatura Sj → S

4.2.2. daca Sj este stare finala

atunci

i. Solutia este (Sj,.., Si)

ii. intoarce SUCCES

4.2.3. Insereaza Sj in FRONTIERA, la inceput

5. repeta de la 2

sfarsit.

� Caracteristici cautare in adancime

� Cautare in adincime cu nivel iterativ (ID)

pentru AdMax=1, m executa

ADANC(AdMax)

Caracteristici cautare in adancime cu nivel iterativ

� Cautare de tip backtracking

� Cautare bidirectionala

� Care strategie este mai buna ?

2.2. Cautari neinformate in grafuri SI/SAU

Adancimea unui nod

� Ad(Si) = 0, unde Si este nodul problema

initiala,

� Ad(S) = Ad(Sp) + 1 daca Sp este nod SAU

predecesor al nodului S,

� Ad(S) = Ad(Sp) daca Sp este nod SI

predecesor al nodului S.

Algoritm NIV-SI-SAU: Strategia cautarii pe nivel in arbori SI/SAU.

1. Initializeaza listele FRONTIERA ← {Si}, TERITORIU ← {}

2. Elimina primul nod S din FRONTIERA si insereaza-l in

TERITORIU

3. Expandeaza nodul S

3.1. Genereaza toti succesorii directi Sj ai nodului S

3.2. pentru fiecare succesor Sj al lui S executa

3.2.1. Stabileste legatura Sj → S

3.2.2. daca Sj reprezinta o multime de cel putin 2 subprobleme

atunci /* este nod SI */

i. Genereaza toti succesorii subprobleme Skj ai lui

Sj

ii. Stabileste legaturile intre nodurile Skj → Sj

iii. Insereaza nodurile Skj in FRONTIERA, la sfirsit

3.2.3. altfel insereaza Sj in FRONTIERA, la sfirsit

4. daca nu s-a generat nici un succesor al lui S in pasul precedent(3)

atunci

4.1. daca S este nod terminal etichetat cu o problemaneelementara

atunci

4.1.1. Eticheteaza S nerezolvabil

4.1.2. Eticheteaza cu nerezolvabil toate nodurilepredecesoare lui S care devin nerezolvabile

datorita lui S

4.1.3. daca nodul Si este nerezolvabil

atunci intoarce INSUCCES /* problema nu are solutie */

4.1.4. Elimina din FRONTIERA toate nodurile care au predecesori nerezolvabili

4.2. altfel /* S este nod terminal etichetat cu o problema elementara */

4.2.1. Eticheteaza S rezolvat

4.2.2. Eticheteaza cu rezolvat toate nodurile predecesoare lui

S care devin rezolvate datorita lui S

4.2.3. daca nodul Si este rezolvat

atunci

i. Construieste arborele solutie urmarind legaturile

ii. intoarce SUCCES /* s-a gasit solutia */

4.2.4. Elimina din FRONTIERA toate nodurile rezolvate si

toate nodurile care au predecesori rezolvati

5. repeta de la 2

sfarsit.

2.3. Complexitatea strategiilor de cautare

� B - factorul de ramificare al unui spatiu de cautare

8-puzzle

� Numar de miscari:

� 2 m pt colt = 8

� 3 m centru lat = 12

� 4m centru ⇒⇒⇒⇒ 24 miscari

� B = nr. misc. / nr. poz. p. liber = 2.67

� Numar de miscari:

� 1 m pt colt = 4

� 2 m centru lat = 8

� 3m centru ⇒⇒⇒⇒ 15 miscari ⇒⇒⇒⇒ B = 1.67

Complexitatea strategiilor de cautare

� B - factorul de ramificare

� d- adancimea celui mai apropiat nod solutie

� m – lungimea maxima a oricarei cai din spatiul de cautare

Rad – B noduri, B2 pe niv 2, etc.

� Numarul de stari posibil de generat pe un nivel de cautare d este Bd

� T - numarul total de stari generate intr-un proces de cautare, d – adancime nod solutie

T = B + B2 + … + Bd = O(Bd)

Complexitatea strategiilor de cautare

� Cautare pe nivel

Numar de noduri generate

B + B2 + … + Bd = O(Bd+1)

Complexitate timp, spatiu

� Cautare in adancime

Numar de noduri generate

B*m – daca nodurile expandate se sterg din TERITORIU

Complexitate timp, spatiu

Complexitatea strategiilor de cautare

� Cautare backtracking

Numar de noduri generate m – daca se elimina

TERITORIU

Complexitate timp, spatiu

� Cautare cu nivel iterativ

Numar de noduri generate

d*B+(d-1)*B2+ … + (1)*Bd = O(Bd)

Complexitate timp, spatiuB=10, d=5

N(BFS)=111110, N(IDS) = 123 450

Adancime Nr noduri Timp Memorie

2 110 .11 milisec 107 KB

4 11 100 11 milisec 10.6 MB

6 106 1.1 sec 1 GB

8 108 2 min 103 GB

10 1010 3 h 10 TB

12 1012 13 zile 1 petabytes

14 1014 3.5 ani 99 petabytes

b = 101 mil. noduri/sec1000 bytes/nod

Complexitatea strategiilor de cautare

DaDaDa dacam≥d

NuDaComple

ta?

DaDaNuNuDaOptima

litate?

Bd/2BdB*mB*dBdSpatiu

Bd/2BdBmBdBdTimp

Bidirec

tionala

Nivel

iterativ

Adanc.

limita

Adanci

me

NivelCriteriu

B – factor de ramificare, d – adancimea solutiei,

m – adancimea maxima de cautare (AdMax)

3. Strategii de cautare informate

Cunostintele euristice pot fi folosite pentru a creste

eficienta cautarii in trei moduri:

� Selectarea nodului urmator de expandat in

cursul cautarii.

� In cursul expandarii unui nod al spatiului de

cautare se poate decide pe baza informatiilor

euristice care dintre succesorii lui vor fi generati si

care nu

� Eliminarea din spatiul de cautare a anumitor

noduri generate

3.1 Cautare informata de tip "best-first"

� Evaluarea cantitatii de informatie

� Calitatea unui nod este estimata de functia

de evaluare euristica, notata w(n) pentru

nodul n

� Presupuneri pentru functia w(n)

� Strategia de cautare a alpinistului

� Strategia de cautare “best-first”

Algoritm BFS: Strategia de cautare "best-first" in spatiul starilor

1. Initializeaza listele FRONTIERA ← {Si}, TERITORIU ← {}

2. Calculeaza w(Si) si asociaza aceasta valoare nodului Si

3. daca FRONTIERA = {}

atunci intoarce INSUCCES

4. Elimina nodul S cu w(S) minim din FRONTIERA si insereaza-l in

TERITORIU

5. daca S este stare finala

atunci

i. Solutia este (S,.., Si)

ii. intoarce SUCCES

6. Expandeaza nodul S

6.1. Genereaza toti succesorii directi Sj ai nodului S

6.2. pentru fiecare succesor Sj al lui S executa

6.2.1 Calculeaza w(Sj) si asociaza-l lui Sj

6.2.2. Stabileste legatura Sj → S

6.2.3. daca Sj ∉ FRONTIERA ∪ TERITORIU

atunci introduce Sj in FRONTIERA cu w(Sj)

asociat

6.2.5. altfel

i. Fie S’j copia lui Sj din FRONTIERA sau TERITORIU

ii. daca w(Sj) < w(S’j)

atunci

atunci

- Elimina S’j din FRONTIERA sau

TERITORIU (de unde apare copia)

- Insereaza Sj cu w(Sj) asociat in

FRONTIERA

iii. altfel ignora nodul Sj

7. repeta de la 3

sfarsit.

Varianta alternativa pentru pasul 6.2.5

6.2.5. altfel

i. Fie S’j copia lui Sj din FRONTIERA sauTERITORIU

ii. daca w(Sj) < w(S’j)

atunci

- Distruge legatura S’j → Sp, cu Sp pred. lui S’j- Stabileste legatura S’j → S, si actualizeaza costul

lui S’j la w(Sj)

- daca S’j este in TERITORIU

- atunci elimina S’j din TERITORIU si insereazaS’j in FRONTIERA

iii. altfel ignora nodul Sj7. repeta de la 3

sfarsit.

Cazuri particulare

� Strategia de cautare "best-first" este o generalizare a strategiilor de cautare neinformate

- strategia de cautare pe nivel w(S) = Ad(S)

- strategia de cautare in adincime w(S) = -Ad(S)

� Strategia de cautare de cost uniform

� Minimizarea efortului de cautare – cautareeuristica

w(S) = functie euristica

w(S ) = cost_ arc(S ,S )j k k 1k i

j 1

+=

−

∑

3.2 Cautarea solutiei optime in spatiul starilor.

Algoritmul A*

w(S) devine f(S) cu 2 comp:

� g(S), o functie care estimeaza costul real g*(S) al caii de cautare intre starea initialaSi si starea S,

� h(S), o functie care estimeaza costul real h*(S) al caii de cautare intre starea curentaS si starea finala Sf.

� f(S) = g(S) + h(S)

� f*(S) = g*(S) + h*(S)

S i

S

S f

g(S)

h(S)

f(S)

Componentele functiei euristice din algoritmul A*

Calculul lui f(S)

� Calculul lui g(S)

� Calculul lui h(S)

� Trebuie sa fie admisibila

� O functie euristica h se numeste admisibila dacapentru orice stare S, h(S) ≤≤≤≤ h*(S).

� Definitia stabileste conditia de admisibilitate a functiei h si este folosita pentru a definiproprietatea de admisibilitate a unui algoritm A*.

g(S) = cost_ arc(S ,S )k k 1k i

n

+=∑

A* admisibil

Fie un algoritm A* care utilizeaza cele doua componente g si h ale functiei de evaluare f. Daca

� (1) functia h satisface conditia de admisibilitate

� (2)

pentru orice doua stari S, S', unde c > 0 este o constanta si costul c este finit

� atunci algoritmul A* este admisibil, adica este garantat sa gaseasca calea de cost minim spresolutie.

� Completitudine

cost_arc(S,S') c≥

Implementare A*

Strategia de cautare "best-first" se modifica:

…

2. Calculeaza w(Si)=g(Si) + h(Si) si asociaza aceasta valoarenodului Si

3. daca FRONTIERA = {}

atunci intoarce INSUCCES - nemodificat

4. Elimina nodul S cu w(S) minim din FRONTIERA siinsereaza-l in TERITORIU - nemodificat

…..

6.2.5. altfel

i. Fie S’j copia lui Sj din FRONTIERA sauTERITORIU

ii. daca g(Sj) < g(S’j)

atunci …

Caracteristicile euristicii algoritmului A*

� Fie doi algoritmi A*, A1 si A2, cu functiile de evaluare h1 si h2 admisibile, g1=g2

� Se spune ca algoritmul A2 este mai informatdecat algoritmul A1 daca pentru orice stare S

cu S≠Sf� Monotonie

h (S) > h (S)2 1

f (S) g (S) h (S)1 1 1= + f (S) g (S) h (S)2 2 2= +

)S'S,p,cost_arc(o+)h(S'h(S) ≤ pentru orice op,S si S'

S diferit de Sf

Determinarea functiei de evaluare f

� 8-puzzle

� Problema comis-voiajorului

h2(S) = costul arborelui de acoperire de cost minim al oraselor neparcurse pana in starea S

h (S) = t (S)1 ii=1

8

∑

h (S) = Distanta(t2 ii=1

8

)∑

h (S) = cost_ arc(S ,S)1 i

Problema misionarilor si canibalilor

ESTVEST

n

n

n

n

E

m

V

m

V

c

E

c

(S

(S

(S

(Si

i i

i

)=3

)=3)=0

)=0

ESTVEST

n

n

n

n

E

m

V

m

V

c

E

c

(S

(S

(S

(Sf

f f

f

)=0

)=0)=3

)=3

(b) Stare finala(a) Stare initiala

Problema misionarilor si canibalilor

f (S) g(S) h (S)1 1= +

f (S) g(S) h (S)2 2= +

f (S) g(S) h (S)3 3= +

h (S) = n (S)1E

h (S) n (S) / 22E=

=

≠−

≠+

=

0(S)n daca0

0(S)n si EST de malul pe este barca daca1(S)n

0(S)n si VEST de malul pe este barca daca1(S)n

(S)hE

EE

EE

3

Relaxarea conditiei de optimalitate a algoritmului A*

� O functie euristica h se numeste εεεε-admisibila daca

cu ε > 0

� Algoritmul A* care utilizeaza o functie de

evaluare f cu o componenta h ε -admisibila

gaseste intotdeauna o solutie al carei cost

depaseste costul solutiei optime cu cel mult ε.

� Un astfel de algoritm se numeste algoritm A* ε -admisibil iar solutia gasita se numeste solutie ε -optimala.

h(S) h (S)*≤ + ε

Relaxarea conditiei de optimalitate a algoritmului A*

� 8-puzzle

f (S) g(S) h (S)3 3= + h (S) h (S) 3 T(S)3 2= + ⋅

T(S) = Scor[t (S)]ii 1

8

=∑

mozaicului centrul laaflat pentru t 1

centru de diferita tlui a pozitie oricepentru 0

finala stareadin corect succesorul

deurmat estenu S stareain tpatratul daca 2

=(S)]Scor[t

i

i

i

i

Cautare euristica cu memorie limitata -

IDA*

� Avantaje si dezavantaje A*

� IDA*

� Cautarea in adancime estemodificata a.i. sa utilizeze o limita de cost (LimCost) in loc de o limita a adancimii(AdMax)

� Fiecare iteratie expandeazanodurile din interiorul unuicontur de cost LimCostpentru a vedea care suntnodurile de pe urmatorulcontur

Si 0+h

f= g+h ≤ LimCost

� Daca esueaza (nenatural)

se actualizeaza LimCost

la min f al nodurilor

din cele

neexpandate anterior

Cautare euristica cu memorie limitata -

Best First Recursiv

� Best first cu spatiu liniar

� Implementare recursiva

� Tine minte valoarea f a celei mai bune cai

alternative care porneste din orice nod

anterior nodulului curent

� Gaseste solutia de cost minim daca h este

admisibila dar are complexitatea spatiu

O(B*d)

S1

S3

S8S5

S2

S6 S7

S4

S9 S10 S11

447447 449

inf

393

646 415 526

413

526

417

553

415

S1

S3

S8S5

S2

S6 S7

S4

S12 S13

447447 449

inf

393

646 415 526

417

450591

417413

S1

S3

S8S5

S2

S6 S7

S4

S9 S10 S11

447447 449

inf

393

646 450 526

417

526 417 553

447

S14 S15

615418

S16

607

447

BestFR(S) Strategia Best First recursiv

/* intoarce solutie sau INSUCCES */

BFR(Si, inf)

415

Algoritm BFR(S, f_lim): Strategia Best First recursiv

/* Intoarce o solutie (nod) sau INSUCCES si o noua limita de cost f_limit */

1. daca S stare finala atunci intoarce S

2. Genereaza toti succesorii Sj ai lui S

3. daca nu exista nici un succesor

atunci intoarce INSUCCES, inf

4. pentru fiecare succesor Sj repeta

f(Sj) ← max(g(Sj) + h(Sj), f(S))

5. Best ← Sjmin, nodul cu valoarea f(Sj) minima dintre succesori

6. daca f(Best) > f_lim

atunci intoarce INSUCCES, f(Best)

7. Alternat ← f(Sjmin2), a 2-a val f(Sj) cea mai mica

8. Rez, f(Best)← BFR(Best, min(f_lim, Alternat))

9. daca Rez ≠ INSUCCES atunci intoarce Rez, f(Best)

10. repeta de la 5

sfarsit.